Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света

Митрохин, Владимир Павлович

Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Митрохин, Владимир Павлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света»

Автореферат диссертации на тему "Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света"

На правах рукописи

МИТРОХИН Владимир Павлович

Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния

света

Специальность 01.04.21 —лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва —2010

1 1 МАР 201П

003493345

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Федотов Андрей Борисович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Наний Олег Евгеньевич, кафедра оптики и спектроскопии физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

кандидат физико-математических наук

Цхай Сергей Николаевич, Учреждение Российской академии наук «Физический институт имени П.Н.Лебедева РАН»

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук «Институт химической физики имени H.H. Семенова РАН»

Защита состоится « 18 » марта 2010 года в 1730 часов на заседании диссертационного совета Д501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, д. 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан «.

Ученый секретарь диссертационного совета Д501.001.31 кандидат физ.-мат. наук, доцент

ова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Другим типом структур, с которыми связано большое количество заметных достижений в областях волоконной и нелинейной оптики, оптической метрологии и оптике сверхкоротких импульсов являются оптические волокна новой архитектуры - микроструктурированные (МС) или фотонно-кристаллические (ФК) волокна3'4. МС волокна - это световоды нового типа, отличающиеся по своей архитектуре, принципу действия и свойствам от обычных оптических волокон. В общем случае они представляют собой микроструктуру с периодически или апериодически промодулированным показателем преломления оболочки. Значительный прогресс, достигнутый благодаря использованию МС волокон в различных направлениях

1 Nanoscale Linear and Nonlinear Optics.(ed.); M. Bertolotti, C.M. Bowden, and C. Sibilia Am. Inst. Phys., New York, 2001

2 Verbiest T, Van Elshocht S, Kauranen M, Hellemans L, Snauwaert J, Nuckolls C, Katz TJ, Science, 282,913. 1998

3 Knight J.C., Birks T.A., Russell P.St.J., Atkin D.M., Opt.Lett., V. 21, p. 1547 1996.

4 Желтиков A.M. Оптика микроструктурированных волокон - M. :Наука, 2004.

научных исследований, выдвигает их создание в ряд наиболее значительных достижений оптических технологий за последнее время.

Особое значение для волоконной оптики имеют полые фотонно-кристаллические волноводы. Они поддерживают волноводное распространение электромагнитного излучения за счёт высокой отражательной способности оболочки в области фотонных запрещённых зон.

Область приложений микроструктурированных (фотонно-кристаллических) волокон неуклонно расширяется, а структура волокон становится всё более многообразной. Конструкция волокна, геометрия его поперечного сечения и дисперсия модифицируется и адаптируется к конкретным задачам.

Применение фотонных структур, таких как МС волокна и наноструктурированные материалы в задачах нелинейной оптики и спектроскопии может помочь решить ряд проблем нелинейной оптики, а также разработать новые направления в современной спектроскопии. Методы нелинейной спектроскопии позволяют решать широкий круг задач, связанных с количественным и качественным анализом газов, газовых смесей и т.д.5 Однако, появление новых объектов и задач нелинейно-оптических исследований требует развития новых и совершенствования известных методик в данной области современных физических исследований. Так растущий интерес к изучению нелинейно-оптических взаимодействий в газах связан как с необходимостью развития локальных певозмущающих методов диагностики быстропротекающих процессов, так и с возможностью использовать нелинейности подобных сред для генерации когерентного коротковолнового излучения при оптическом преобразовании частоты.

Одним из современных направлений призванных улучшить современные методы исследования различных веществ с помощью использования четырехволновых процессов, в том числе и когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), является поиск возможностей увеличения эффективности этих

5 Ахманов С.А., Коротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. М. Наука, 1981.

процессов. Одним из решений этого вопроса является использование ФК волноводов.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью настоящей диссертационной работы является исследование транспортировки и нелинейно-оптических преобразований лазерных импульсов в микро- и наноструктурах с целью их использования в задачах нелинейно-оптической спектроскопии, в том числе спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.

Основными задачами диссертационной работы являются:

1. Разработка экспериментальной методики на основе когерентного антистоксова рассеяния света для анализа состава и структуры нанокомпозитных веществ, в частности аэрогеля диоксида кремния. Анализ возможностей применения нанокомпозитных веществ для реализации нелинейно-оптических сенсорных устройств.

2. Исследование условий волноводной транспортировки лазерных импульсов высокой интенсивности через полые фотонно-кристаллические волокна.

3. Разработка методики увеличения чувствительности спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света газовых сред, заполняющих полые фотонно-кристаллические волокна.

4. Исследование спектрального сверхуширения фемтосекундных высокоэнергетичных лазерных импульсов в фотонно-кристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной.

кристаллического волокна в качестве источника волны накачки в схеме КАРС-микроспектроскопии оптических фононов в структурах на основе кристаллического кремния.

Научная новизна

1. Впервые экспериментально продемонстрировано, что в случае реализации нелинейно-оптической спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света нанокомпозитных материалов, в частности аэрогеля диоксида кремния, спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части, относящейся к заполняемому поры комбинационно-активному веществу, и нерезонансной -относящейся непосредственно к структуре. Исследования, продемонстрировали, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, от пробных спектральных КАРС профилей веществ, заполняющих нанопористую матрицу, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала.

2. Реализована схема спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света газовых сред с использованием полых фотонно-кристаллических волокон. Показано, что волноводный режим нелинейно-оптического взаимодействия, реализуемый в изолированных модах полых ФК волноводов, приводит к радикальному (более чем на порядок) увеличению чувствительности КАРС-спектроскопии по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

3. Продемонстрирована возможность транспортировки высокоинтенсивных лазерных импульсов пико- и наносекундных длительностей в изолированных модах полых фотонно-кристаллических волноводах с диаметрами сердцевины 13 и 16 мкм. Полученные плотности мощности составили 440 Дж/см2 для 10 не импульсов и 90 Дж/см2 для 40 пс импульсов.

4. В полом фотонно-кристаллическом волокне, заполненном жидкостью с высокой нелинейностью, экспериментально продемонстрирован одномодовый

режим распространения излучения. Запаздывание оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к спектрально сдвинутому в красную область уширению на выходе из волокна, зависящему от длительности импульса.

5. Экспериментально продемонстрирована возможность генерации суперконтинуума микроджоулевого уровня энергии в кварцевых микроструктурированных волокнах с большим (более 20 мкм) диаметром сердцевины.

6. Реализован источник перестраиваемого когерентного излучения на основе явлений генерации суперконтинуума и солитонного самосдвига частоты в фотонно-кристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной для целей спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.

7. Реализована схема двухмерной КАРС-микроспектроскопии продольных оптических фононов в структурах из кристаллического кремния с использованием перестраиваемого источника сверхкоротких импульсов на основе фотонно-кристаллических волокон.

Научная и практическая значимость работы

1. Продемонстрирована возможность изучения локальных характеристик наноструктурированных веществ с использованием метода нелинейной спектроскопии - когерентного антистоксова рассеяния света.

2. Продемонстрированное радикальное (более чем на порядок) увеличение чувствительности когерентного антистоксова рассеяния света в полых фотонно-кристаллических волокнах, открывает новые возможности в области физики сверхкоротких лазерных импульсов, физики сильных световых полей и нелинейной спектроскопии.

3. Экспериментально продемонстрированная возможность транспортировки через полые фотонно-кристаллические волокна лазерных импульсов высокой интенсивности позволяет реализовать волноводные режимы нелинейно-оптических взаимодействий для мощных лазерных импульсов, которые не могут передаваться

через стандартные оптические волокна вследствие возникновения оптического пробоя и открывает возможности применения таких волокон в задачах лазерной медицины, микрообработки материалов, физики сильных световых полей и управления частицами.

4. Продемонстрированная возможность генерации суперконтинуума и солитонов микроджоулевого уровня энергии в фотонно-кристаллических волокнах открывает возможности его применения в качестве источника перестраиваемого излучения в задачах нелинейной оптики.

5. Реализованная схема микроспектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света позволила регистрировать микроразмерные дефекты на поверхности кремниевой подложки, что открывает перспективы для ее использования при диагностике электронных и фотонных компонент кремниевых микросхем в режиме реального времени.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Использование полых фотонно-кристаллических волокон позволяет радикально (более чем на порядок) увеличить чувствительность спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света молекулярных колебаний исследуемых газов в изолированных волноводных модах по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

2. Полые фотонно-кристаллические волокна могут применяться для полноводной транспортировки высокоэнергетичных лазерных импульсов пико- и напосекундной длительности.

3. Применение техники когерентного антистоксова рассеяния света позволяет исследовать оптические свойства наноструктурированного материала. Различия резонансных и нерезонансных компонент спектров КАРС, таких как изменение их амплитуды, ширины и симметрии, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например, аэрогели диоксида кремния, могут

-8-

эффективно применяться в роли сенсоров и адсорберов при анализе качественного и количественного состава газовых сред

4. Фотонно-кристаллические волокна с большой площадью сердцевины являются источниками перестраиваемого излучения микроджоулевого уровня энергии для использования в схемах нелинейно-оптической спектроскопии, в частности, спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света, в качестве источника одной из волн накачки.

Апробация работы

Содержание диссертации полностью отражено в 20 научных работах, включая 15 научных публикаций в журналах из списка ВАК России

Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях: International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS), Brisbane, Australia (2004). International Laser Physics Workshop (LPHYS2004), Trieste, Italy (2004). International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'04), Rome, Italy (2004). International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT), Minsk, Belarus (2007) European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2008), Igls, Austria (2008).

Список опубликованных работ приведен в конце настоящего автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения четырех глав и заключения. В конце приведен список цитируемой литературы, содержащий 163 наименований. Полный объем работы составляет 154 страницы, включая 60 рисунков.

Личный вклад

Все приведенные в диссертации результаты получены лично или при непосредственном участии автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование темы диссертационной работы, сформулированы цель и направление исследований; показана актуальность рассматриваемой проблемы в контексте ее научной новизны и практической значимости; сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Приведена структура диссертации и кратко изложено ее содержание по главам.

Первый раздел главы первой посвящен обзору физических основ нанофотоники - физических явлений, обуславливающих своеобразие взаимодействия лазерных импульсов с наноструктурами, нанокомпозитными материалами. Сделан обзор методов нелинейной оптики, позволяющих получать важную информацию о составе, структуре и свойствах пространственной симметрии вещества.

Во втором разделе этой главы дан обзор волокон нового типа -микроструктурированных (фотонно-кристаллических) волноводов (рис. 1), обсуждаются их основные свойства, а также возможности применения в современной нелинейной оптике.

ФК волокна открывают уникальные возможности в области нелинейной оптики и спектроскопии, оптики сверхкоротких импульсов, оптической метрологии, медицинской оптики и когерентной томографии, кроме того, представляют значительный интерес для понимания фундаментальных физических свойств собственных мод электромагнитного излучения, локализованных в микро - и наноструктурах.

Одним из наиболее важных свойств ФК волокон является способность поддерживать одномодовый режим распространения света в широком спектральном диапазоне. Это свойство ФК волокон связано с тем, что воздушные отверстия в оболочке волновода по-разному заполняются излучением для различных длин волн. Таким образом, получается, что разность показателей преломления зависит от длины волны, причем так, что условие одномодового режима выполняется для достаточно широкого диапазона длин волн. ФК волокна обеспечивают сочетание

возможности управления дисперсией волноводных мод в пределах недостижимых для стандартных телекомовских волокон с высокой степенью локализации светового поля в сердцевине волокна из-за большой разности показателей преломления сердцевины и оболочки.

Рис.1. Виды ФК волокон: (а) - ФК волокно с твердотельной сердцевиной п2 < л, (п, - показатель преломления сердцевины, П2 - показатель преломления, усредненный по структуре оболочки); (б) -полое ФК волокно.

Благодаря этим свойствам ФК волокна позволяют наблюдать ряд интересных нелинейно-оптических явлений, таких как генерация суперконтинуума и солитонов, эффекты фазовой само- и кроссмодуляции, эффективного параметрического взаимодействия, процессов четырехволнового смешения и вынужденного комбинационного рассеяния в поле лазерных импульсов низких энергий. Интенсивные исследования по генерации суперконтинуума в ФК волокнах привели к значительному прорыву в оптической метрологии. Были достигнуты успехи в технике генерации сверхкоротких импульсов с контролируемой расстройкой фазы между несущей и огибающей. Появилась возможность создания волоконных источников излучения с очень широким спектром, которое может использоваться для нелинейной спектроскопии, микроскопии и биомедицинских приложений.

В этой главе также рассмотрен вопрос возможности применения микро- и наноструктур для задач современной спектроскопии и увеличения ее чувствительности. Дано описание одного из частных случаев спектроскопии четырехволнового смешения с комбинационным резонансом - когерентного антистоксова рассеяния света.

Во второй главе настоящей диссертации приведен обзор лазерных комплексов, которые были использованы для получения экспериментальных

результатов, представленных в диссертационной работе. Дано описание экспериментальных установок на базе нано- и пикосекундных Ш:УАО лазерных комплексов, предназначенных для исследования транспортировки мощного лазерного излучения в полых ФК волокнах и задач нелинейно-оптической спектроскопии. Эти лазерные системы генерировали лазерные импульсы с центральной длиной волны 1064 нм и энергиями до 100 мДж для 10 не импульсов и до 2 мДж для 40 пс импульсов. Также в главе описана фемтосекундная лазерная

система, состоящая из задающего генератора на кристалле Сг : (о^егке (хром-форстерита), стретчера, регенеративного усилителя и компрессора. Задающий генератор накачивался непрерывным излучением иттербиевого волоконного лазера и генерировал 30-60 фс световые импульсы с центральной частотой 1.25 мкм и частотой повторения 100 МГц. Эти импульсы, проходя через стретчер и изолятор, усиливались в накачиваемом N(1: УЫ7 лазером регенеративном усилителе, а затем сжимались компрессором до длительностей, варьируемых в диапазоне 100 - 800 фс с энергией до 50 мкДж и частотой повторения 1 кГц. Усиленные импульсы использовались для задач исследования процессов генерации суперконтинуума в ФК волокнах с увеличенной сердцевиной и его дальнейшего применения в задачах микроспектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света. Также во второй главе дан обзор методик и процедур используемых в задачах по исследованию транспортировки излучения, спектральному преобразованию коротких импульсов и новым методам, применения КАРС спектроскопии.

В третьей главе работы обсуждаются экспериментальные результаты по когерентному антистоксову рассеянию света в нанокомпозитах, на примере наноматрицы аэрогеля диоксида кремния, заполненной комбинационно-активными веществами. Уникальные для нелинейной оптики свойства аэрогелей обусловлены их низкой плотностью (0.003 - 0.15 г/см3) и высокой пористостью (90 - 99%).

В случае применения техники когерентного антистоксова рассеяния света к исследованию таких нанокомпозитов в диссертационной работе демонстрируется, что спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части,

относящейся к комбинационно-активному веществу, и нерезонансной -относящейся непосредственно к структуре. Это показано на примере аэрогеля диоксида кремния заполненного комбинационно-активными веществами, такими как газообразный азот, кислород и толуол.

Рис 2. Профиль резонанса в спектре КАРС, связанного с комбинационно-активным колебанием молекул азота (2331 см"1), в воздухе при температуре 300 К и давлении 1 атм. (1) и из молекул азота, содержащихся в порах азрогеля в тех же условиях (2). Пунктирной линией 3 показана теоретическая аппроксимация экспериментальных данных для = 0.002.

Также продемонстрировано, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, получаемых в случае нанокомпозитного вещества, от пробных спектров КАРС веществ, заполняющих нанопористую матрицу (рис. 2), могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например аэрогели диоксида кремния, могут эффективно применяться в роли сенсоров и адсорберов при анализе качественного и количественного состава и газовых сред.

Второй раздел третьей главы диссертационной работы посвящен обсуждению экспериментальных данных по транспортировке высокоинтенсивного лазерного излучения в изолированных волноводных модах через полые ФК волокна. В проведенных экспериментах с использованием нано- и пикосекундных Ш:УАО лазерных комплексов через полые ФК волокна удалось передать следующие плотности мощности: 440 Дж/см2 для лазерных импульсов длительностью 10 не и 90 Дж/см2 для импульсов длительностью 40 пс, что в

Ц см"1

несколько раз превышает порог пробоя плавленого кварца, из которого изготовлена оболочка использовавшихся полых ФК волокон. Эта особенность полых ФК волокон может быть успешно применена для задач прикладной физики. Так в наших экспериментах была реализована транспортировка пикосекундных импульсов на длине волны 1,06 мкм через полое ФК волокно с диаметром сердцевины 13 мкм для осуществления оптического пробоя зубной эмали с одновременным контролем этого процесса за счет регистрации обратного рассеяния, передаваемого через то же волокно. Наши исследования показывают, что полые ФК волокна могут с успехом применяться для лазерной медицины, задач микрообработки материалов и исследований, связанных с транспортировкой мощных лазерных импульсов.

Также в третьей главе приведены результаты по спектроскопии КАРС в газах с использованием полых ФК волокон. Дан теоретический анализ возможности увеличения чувствительности нелинейно-оптических взаимодействий в полых волноводах на примере когерентного антистоксова рассеяния света за счет таких свойств полых волноводов, как возможность поддерживать плотности мощности аналогичные режиму жесткой фокусировки с одновременным увеличением длины нелинейно-оптического взаимодействия. В случае использования полого ФК волокна существует возможность еще и значительно снизить потери при распространении излучения в случае попадания волн накачки и антистоксовой волны в фотоннозапрещенные зоны (рис. За). Приведены экспериментальные данные, показывающие, что волноводный режим нелинейно-оптического взаимодействия, реализуемый в изолированных модах специально подобранного полого ФК волокна, удовлетворяющего условиям существования волноводных мод на длинах волн накачек, а также антистоксовой волны (рис. За), приводит к радикальному (более чем на порядок) увеличению чувствительности КАРС по сравнению с режимом жесткой фокусировки без ухудшения спектрального разрешения (рис. 36).

Такое увеличение эффективности четырехволновых процессов в полых ФК волокнах, описанное в третьей главе работы, открывает новые возможности в

- 14-

области физики сверхкоротких лазерных импульсов, физики сильных световых полей и нелинейной спектроскопии.

1,0-

0,5

& £

0,0

532 нм-1

607 нм-0.55

400

Й0 760 8бО 9Й0 1000 X, НМ

|1,0

§0,5-

в полом ФК волокне в режиме жесткой фокусировки

2324

2331 ,

Д см

2338

Рис. 3 (а.) Спектр пропускания полого ФК волокна, использованного в эксперименте, (б.) Спектр КАРС (¿-линии комбинационного перехода молекул азота, заполняющих полый фотонно-кристаллический волновод при атмосферном давлении (•) и в режиме жесткой фокусировки (■).

Увеличение чувствительности процесса когерентного антистоксова рассеяния света в полых ФК волокнах также предлагает возможности значительного повышения чувствительности нелинейно-оптической спектроскопии газовых сред и позволяет снизить требования к энергиям лазерных импульсов в задачах нелинейной спектроскопии.

В главе четыре приведены экспериментальные данные по спектральной трансформации фемтосекундных лазерных импульсов в ФК волокнах, в том числе волокнах заполненных жидкостью с высокой нелинейностью. Показана возможность использования спектрально уширенного импульса, полученного в ФК волокне, в качестве одного из импульсов накачки в оптической схеме спектроскопии КАРС. Продемонстрирована реализация микроспектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС-микроспектроскопия) в подложке кристаллического кремния.

Заполненные жидкостями волноводные структуры известны давно и широко используются в нелинейной оптике. Капиллярные волноводы, заполненные жидкостями с высокими нелинейно-оптическими свойствами, применялись в пионерских экспериментах по фазовой самомодуляции и нелинейному комбинационному рассеянию. В большинстве последующих работ, интерес в волноводах заполненных находящимися в жидкой фазе материалами еще более

- 15-

возрос. Во-первых, известно, что множество жидкостей демонстрируют высокую оптическую нелинейность. Заполнение волноводов подобными материалами открывает перспективы для значительного увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов в волноводах. Во-вторых, известно, что оптическая нелинейность жидкостей позволяет лучше возникать различным типам сложных молекулярных движений. Волноводные структуры предлагают удобную базу для экспериментальных исследований этих фундаментальных аспектов нелинейной оптики в веществах в жидкой фазе на различных временах. Технология ФК волокон увеличивает эффективности и предлагает новые возможности применения волноводов заполненных жидкостями в приложениях нелинейной оптики.

В первом разделе четвертой главы приведены результаты исследований спектрального преобразования в ФК волокнах с сердцевиной заполненной жидкостью с высокой нелинейностью. В полом ФК волокне с диаметром сердцевины 4 мкм, заполненной жидкостью с высокой нелинейностью, был реализован одномодовый режим распространения излучения. Запаздывание оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к спектрально сдвинутому в красную область уширению излучения на выходе из волокна зависящему от длительности импульса.

Во втором разделе четвертой главы исследуется вопрос спектрального преобразования фемтосекундного лазерного излучения в кварцевом ФК волокне с увеличенной (порядка 20 мкм) сердцевиной. В последние годы активно изучалась возможность применения ФК волокон для преобразования частоты лазерного излучения. ФК волокна стали удобными источниками когерентного излучения, применяющимися в широком спектре современных научных задач, в том числе оптической метрологии, лазерной медицине. Однако, для этих задач чаще всего применяются высоконелинейные ФК волокна с диаметром сердцевины порядка одного микрона. Это обуславливается тем, что такие волокна имеют, как правило, нулевое значение дисперсии групповых скоростей (ДГС) сдвинутое в синюю область относительно нуля ДГС материала, из которого они изготовлены. Управляя дисперсией групповых скоростей за счет изменения структуры оболочки можно

- 16-

добиться, что центральная длина волны импульсов накачки окажется вблизи нуля ДГС. В таких условиях удается радикально повысить эффективность ряда нелинейно-оптических процессов (фазовой само- и кроссмодуляции, четырехволновых взаимодействий, вынужденного комбинационного рассеяния, модуляционных неустойчивостей, формирования и распространения солитонов), что происходит, в частности, за счет улучшения условий фазового согласования, приводящих к эффективному спектральному преобразованию (уширение может достигать нескольких октав) входного излучения наноджоулевого и субнаноджоулевого уровня энергии в суперконтинуум.

Волноводная дисперсия для ФК волокон с увеличенной сердцевиной, как правило, значительно слабее материальной, что ограничивает возможность управления дисперсией групповых скоростей таких волокон за счет изменения структуры оболочки. Положение нуля ДГС ФК волокон такого типа оказывается практически совпадающим с положением нуля ДГС материала, из которого произведено данное волокно.

В диссертационной работе показано, что в кварцевом ФК волокне с увеличенной (порядка 20 мкм) сердцевиной можно получить мощное широкополосное излучение при использовании лазерного комплекса на кристалле

Сг : Аэ^егке. Такая возможность существует благодаря тому, что центральная длина волны данного лазерного комплекса практически совпадает с длиной волны нулевой дисперсии кварца. В работе исследована зависимость спектральной ширины суперконтинуума от входной энергии излучения.

Для уровня энергии, соответствующего кривой 1 на рис. 4 в спектре выходного излучения хорошо видны стоксовы и антистоксовы компоненты, лежащие в области аномальной и нормальной дисперсии соответственно. Генерация такого рода спектральных компонент может объясняться модуляционной неустойчивостью импульсов накачки. Центральная длина волны входного излучения лежит вблизи нуля ДГС кварца, что способствует выполнению условия фазового согласования для генерации стоксовой и антистоксовой компонент. При

увеличении энергии входного излучения изолированные спектральные компоненты уширяются, сливаясь вместе, что приводит к генерации излучения с широким спектром и образованию интенсивного длинноволнового крыла вплоть до 1900 нм (кривая 3 рис. 4). Образование крыла может быть объяснено тем, что солитоны, образовавшиеся в области аномальной дисперсии испытывают постоянный сдвиг в красную область при распространении в комбинационно-активной среде. В коротковолновой области спектра граница суперконтинуума достигала длины волны равной 650 нм.

Полная энергия генерируемого широкополосного излучения составила 1.2 мкДж, что значительно превышает энергию суперконтинуума, генерируемого в высоконелинейных ФК волокнах с диаметром сердцевины порядка одного микрона, которая составляет нано- и субнаноджоули.

Таким образом, кварцевое ФК волокно с большим диаметром сердцевины (порядка 20 мкм) может быть использовано как эффективный преобразователь

мощного излучения лазерного комплекса на кристалле Сг : Аэ^егйе в широкополосное излучение. Подобные волокна могут быть использованы как оконечные преобразователи излучения мощных лазерных систем в широкополосное излучение высокой мощности.

Применению сверхуширения и генерации солитонов в ФК волокне с увеличенной сердцевиной в задачах нелинейно-оптической спектроскопии посвящен заключительный параграф главы четвертой.

В диссертационной работе продемонстрирована схема КАРС-спектрометрии с использованием ФК волноводов. Импульсы накачек, необходимых для генерации КАРС сигнала, фокусировались на исследуемый объект, и генерировали КАРС сигнал на частоте л> -? т -т = т +П »где

г г Ш[САРС ^шиакачки шс/покс "¿накачки т 4 ¿11'

— частота комбинационного резонанса в исследуемом образце, сонакачт и состокс

- центральные частоты лазера на кристалле Сг ¡Го^егке и сдвинутого по частоте солитона из ФК волокна (рис. 5а).

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 А, НМ

Рис. 4 Спектры широкополосного излучения на выходе из ФК волокна длиной 20 см и диаметром сердцевины 22 мкм. Спектры в зависимости от энергии, заведенной в ФК волокно (1) 0.4 мкДж; (2) 1.1 мкДж; (3) 1.3 мкДж. Спектр входного импульса (4).

В качестве образца был выбран кристаллический кремний. Дисперсия, нелинейность и длина волокна были подобраны с учетом параметров лазерных импульсов, так чтобы обеспечить возможность получения солитона с центральной длиной волны Хстокс, отвечающего условиям Ла1„окс = Л,ш[-ачки -Qr,4TO необходимо

для возбуждения комбинационного резонанса продольной фононной моды кристаллического кремния с частотой Q^ = 520 слг' ■

Параметры лазерных импульсов, фокусируемых на кремниевую подложку, выбраны так, чтобы избежать повреждения образца и минимизировать эффекты, связанные с двухфотонным поглощением (ДФП) (рис. 56).

1200 1300 длина волны, н

Энергия накажи, нДк

а. б.

Рис.5 (а) спектры накачек в схеме КАРС основная длина волны лазера на кристалле

Сг ¡Аэ^егЛе (не закрашенные точки) и сдвинутый по частоте солитон, полученный в ФК волокне (закрашенные синие точки) (б) зависимость интенсивности КАРС сигнала, измеренного как функция от

энергии накачки Сг ^о^егке лазерных импульсов (закрашенные точки) и аппроксимация полиномом второй степени (штриховая линия).

Реализованная схема КАРС-спектроскопии позволила разрешать микроразмерные дефекты на поверхности кремниевой подложки (рис. 6). В работе показано, что КАРС-микроспектроскопия является удобным методом для формирования изображений электронных и фотонных кремниевых компонент микросхем.

О 200 400 600 X, urn

Рис 6 Картина сканирования дефекта на поверхности кремниевой подложки с помощью КАРС микроспектроскопии, область сканирования показана на фотографии подложки.

Выполненные эксперименты показывают, что ФК волокна со специальным профилем дисперсии позволяют создать высокоэффективные источники перестраиваемых по частоте коротких световых импульсов для нелинейной | спектроскопии. Использование ФК волокон, таким образом, позволяет радикально снизить требования к энергии импульсов накачки в перестраиваемых источниках для нелинейной спектроскопии по сравнению с лазерами на красителях и оптическими параметрическими усилителями. I

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы:

1. Экспериментально продемонстрировано, что волноводный режим нелинейно-оптического взаимодействия, реализуемый в изолированных модах полых ФК волноводов, приводит к радикальному (более чем на порядок) увеличению чувствительности спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света газовых сред по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

2. Показано, что полые фотонно-кристалдические волокна позволяют транспортировать в изолированных волноводных модах высокоинтенсивное лазерное излучение. Полученные плотности мощности составили 440 Дж/см2 для

лазерных импульсов длительностью 10 не и 90 Дж/см2 для импульсов длительностью 40 пс. В качестве примера реализована передача пикосекундных импульсов на длине волны 1,06 мкм через полое ФК волокно с диаметром сердцевины 13 мкм для осуществления процесса разрушения зубной эмали с одновременным контролем этого процесса за счет регистрации обратного рассеяния, передаваемого через тоже волокно..

3. Экспериментально продемонстрирована КАРС-спектроскопия наноструктурированных материалов, в частности аэрогеля диоксида кремния. Показано, что в этом случае спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части, относящейся к комбинационно-активному веществу, и нерезонансной - относящейся непосредственно к структуре. Продемонстрировано, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, от пробных спектральных КАРС профилей веществ, заполняющих нанопористую матрицу, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например аэрогели диоксида кремния, могут эффективно применяться в роли сенсоров и адсорберов при анализе качественного и количественного состава и газовых сред.

4. Экспериментально показано, что полые ФК волокна, заполненные высоконелинейной жидкостью, могут поддерживать одномодовое распространение для излучения видимого диапазона (более 600 нм) при диаметре заполненного канала 4 мкм. Сильная инертность оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к длинноволновому спектральному сдвигу уширенного импульса, зависящего от начальной длительности импульса накачки.

6. Реализована микроспектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света оптических фононов в подложке кристаллического кремния. В качестве полей накачки и зондирования использовалось излучение лазера на кристалле Cnforsterite, а в качестве стоксовой волны - сдвинутый по частоте солитон, полученный в микроструктурированном волокне с увеличенной сердцевиной. Реализованная схема двухмерной КАРС-микроспектроскопии продемонстрировала возможность разрешать микроразмерные объекты и дефекты на поверхности кремниевой подложки, что открывает перспективы для ее использования при диагностике электронных и фотонных компонент кремниевых микросхем в режиме реального времени.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Mitrokhin V.P., Fedotov А.В., Ivanov A.A., Podshivalov А.А., Kashkarov Р.К., Alfimov M.V., Sakoda К., Zheltikov A.M. Two-photon absorption-induced effects in femtosecond coherent anti-Stokes Raman-scattering microspectroscopy of silicon photonic components // Laser Physics. 2008. V. 18. № 12. P. 1411-1415.

2. Mitrokhin V.P., Fedotov А.В., Ivanov A.A., Alfimov M.V. and Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering microspectroscopy of silicon components with a photonic-crystal fiber frequency shifter. // Proceedings of the European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2008), Igls, Austria. 2008. P. EP7.

3. Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Ivanov A.A., Alfimov M.V., Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering microspectroscopy of silicon components with a photonic-crystal fiber frequency shifter // Optics Letters. 2007. V. 32. № 23. P. 34713473.

4. Mitrokhin V.P., Ivanov A.A., Fedotov A.B., Alfimov M.V., Dukel'skii K.V., Khokhlov A.V., Shevandin V.S., Kondrat'ev Yu.N., Podshivalov A.A.,Zheltikov A.M. Spectral transformation of megawatt femtosecond optical pulses in large-mode-area highindex-step photonic-crystal fibers // Laser Physics Letters. 2007. V. 4. № 7. P. 529-533.

5. Ivanov A.A., Mitrofanov A.V., Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Podshivalov A.A., Zheltikov A.M., Alfimov M.V., Dukel'skii K.V., Khokhlov A.V., Shevandin V.S., Kondrat'ev Yu.N. High-energy supercontinuum generation in large-mode-area photonic-crystal fibers pumped by stretched amplified fs laser pulses. // Proceedings of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Conference on Lasers, Applications and Technologies (ICONO/LAT). Minsk, Belarus. 2007. P. I-01-III-4.

6. Tauer J., Orban F„ Kofler H., Fedotov A.B., Fedotov I.V., Mitrokhin V.P., Zheltikov A.M., Wintner E. High-throughput of single high-power laser pulses by hollow

photonic band gap fibers // Laser Physics Letters. 2007. V. 4. № 6. P. 444-448.

7. Konorov S.O., Fedotov A.B., Smirnova I.E., Mllrokhin V.P., Sakoda K., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Optical nonlinearities of nanocomposite constituents selectively addressed by polarization-controlled coherent anti-Stokes Raman scattering // Journal of Raman Spectroscopy. 2006. V. 37. № 6. P. 663-668.

8. Konorov S.O., Fedotov А.В., Serebryannikov E.E., Mitrokhin V.P., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Phase-matched coherent anti-Stokes Raman scattering in isolated air-guided modes of hollow photonic-crystal fibers // Journal of Raman Spectroscopy. 2005. V. 36. № 2. P. 129-133.

9. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Experimental demonstration of nanoCARS: Coherent anti-Stokes Raman scattering in mesoporous silica aerogels infiltrated with condensed- and gas-phase Raman-active materials // Journal of Raman Spectroscopy. 2005. V. 36. № 2. P. 171-175.

10. Коноров C.O., Митрохии В.Л., Смирнова И.В., Федотов А.Б., Сидоров-Бирюков Д.А., Желтиков A.M. Нелинейно-оптическая спектральная интерферометрия наноструктур на основе когерентного антистоксова рассеяния света// Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 1. 97-101.

11. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Fedotov А.В., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering in the gas phase enhanced by hollow photonic-crystal fibers // Laser Physics. 2004. V. 14. № 11. P. 1437-1439.

12. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Nonlinear optical spectral interferometry of nanostructures by coherent anti-stokes raman scattering // Laser Physics. 2004. V. 14. № 11. P. 1382-1385.

13. Fedotov А.В., Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Serebryannikov E.E., Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering in isolated air-guided modes of a hollow-core photonic-crystal fiber // Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2004. V. 70. № 4. P. 045802-1-045802-4.

14. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Gas- and condensed-phase sensing by coherent anti-Stokes Raman scattering in a mesoporous silica aerogel host // Chemical Physics Letters. 2004. V. 394. № 1-3. P. 1-4.

15. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B., Arlt W. and Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering as a local probe for nanocomposite materials (NANOCARS). // Proceedings of the XIX International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS). Brisbane, Australia. 2004. P. 56-57.

16. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B., Arlt W. and Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering as a local probe for nanocomposite materials (NANOCARS). // Proceedings of the International Laser Physics Workshop (LPHYS2004). Trieste, Italy. 2004. P. 226.

17. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Smirnova I.V., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov

A.B. and Zheltikov A.M. Coherent anti-Stokes Raman scattering as a local probe for nanocomposite materials (NANOCARS). // Proceedings of the International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'04). Rome, Italy. 2004. P. 127.

18. Konorov S.O., Fedotov A.B., Mitrokhin KP., Sidorov-Biryukov D.A., Kondrat'ev Yu.N., Shevandin V.S., Dukel'skii K.V., Zheltikov A.M. Polarization-controlled spectral transformation of unamplified femtosecond pulses in multiple waveguide channels of a photonic-ciystal fiber // Laser Physics. 2004. V. 14. № 5. P. 760763.

19. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Beloglazov V.l., Skibina N.B., Shcherbakov A.V., Wintner E., Scalora M., Zheltikov A.M. Laser ablation of dental tissues with picosecond pulses of 1.06-p.m radiation transmitted through a hollow-core photonic-crystal fiber // Applied Optics. 2004. V. 43. № 11. P. 2251-2256.

20. Konorov S.O., Mitrokhin V.P., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Beloglazov V.l., Skibina N.B., Wintner E., Scalora M., Zheltikov A.M. Hollow-core photonic-crystal fibres for laser dentistry // Physics in Medicine and Biology. 2004. V. 49. №7. P. 1359-1368.

Заказ № 42-а/02/10 Подписано в печать 10.02.2010 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

¿Г—ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 и ^У/ www.cfr.ra ; е-таИ:info@cfr.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Митрохин, Владимир Павлович

Список применяющихся сокращений.

Введение.

1.1 Нанокомпозитные материалы.

1.2. Методы нелинейной оптики и нанокомпозитные материалы.

1.3. Наноструктурированные материалы для фемтосекундных технологий.

1.4 Микроструктурированные волокна и их применение.

1.5 Структура и основные свойства полых фотонно-кристаллических волокон.

1.6 Микроструктурированные волокна в нелинейной оптике.

1.7 Генерация суперконтинуума в микроструктурированных волокнах.

1.8 Форма и спектра излучения суперконтинуума.

1.9 Солитонный механизм генерации суперконтинуума.

1.10 Четырехволновые взаимодействия в полых волноводах и повышение чувствительности методов нелинейно-оптического газового анализа.

Выводы главы первой.

Экспериментальные схемы и методики для исследования спектральных преобразований лазерных импульсов различных длительностей и реализации спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.

2.1. Наносекундный КАРС спектрометр.

2.2 Пикосекундный лазерный комплекс для транспортировки мощного излучения через полое фотонно-кристаллическое волокно.

2.3. Фемтосекундная лазерная система.

Выводы главы второй.

Когерентное антистоксово расесяние света наноструктрированных объектов. Повышение чувствительности КАРС- спектроскопии при использовании полых фотонно-кристаллических волокон.

3.1. Исследование методом КАРС нанопористых образцов аэрогеля диоксида кремния.

3.2 Нано-КАРС в аэрогелях.

3.2.1 КАРС в аэрогеле, заполненном молекулярным азотом и кислородом.

3.2.2 КАРС в аэрогеле, заполненном толуолом.

3.2.3 Использование аэрогелей и методики нано-КАРС для создания газофазных адсорберов.

3.3 Увеличение чувствительности КАРС в полых МК волноводах.

3.4. Транспортировка мощных лазерных импульсов в полых фотоннокристаллических волокнах.

Выводы главы третьей:.

Когерентное антистоксово рассеяние света с использованием новых источников перестраиваемого широкополосного излучения на основе фотонно-кристаллических волокон с твердотельной увеличенной сердцевиной и заполненных нелинейной жидкостью.

4.1. Демонстрация одномодового режима распространения в полом фотоннокристаллическом волокне с заполненной бензолом сердцевиной.

4.2. Спектральное преобразование фемтосекундного излучения лазера на кристалле Cr:F в МС-волокнах с увеличенной сердцевиной.

4.3. КАРС-микроспектроскопия кристаллического кремния.

Выводы главы четвертой:.

Введение диссертация по физике, на тему "Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света"

Актуальность работы

В последние годы появилось много новых направлений, возникших на стыке различных областей науки, а также в результате сочетания передовых научных подходов и идей с достижениями в области современных технологий. Во многих современных исследованиях показана возможность целенаправленного изменения оптических свойств вещества и управления фундаментальными (в том числе, сверхбыстрыми) процессами в веществе путем наноструктурирования материалов [1] и создания надмолекулярных структур и молекулярных агрегатов [2]. Разработка новых органических материалов с высокими оптическими нелинейностями [3], уникальных оптических нанокомпозитных материалов [4] и структур, оптические свойства которых определяются квантово-размерными эффектами [4], позволяет создавать высокоэффективные устройства для преобразования частоты и управления параметрами лазерного излучения, в том числе устройства для формирования, преобразования и переключения сверхкоротких световых импульсов. По сути, речь идет о формировании нового направления научных исследований — фемтосекундной нанофотоники. Прогресс в этом направлении приводит к революционным изменениям в области оптики сверхкоротких импульсов, нелинейной и квантовой оптики, атомной физики, химических технологий, биофотоники и позволяет глубже понять фундаментальные аспекты взаимодействия сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения с наноструктурированной материей.

Другим типом структур, с которыми связано большое количество заметных достижений нелинейной оптики и оптики сверхкоротких лазерных импульсов последних лет связаны с использованием нелинейных взаимодействий в оптических волноводах. Наряду с обычными волокнами все более широко используются волокна новой архитектуры - микроструктурированные (МС) волокна [5,6]. Микроструктурированные оптические волокна — это световоды нового типа, отличающиеся по своей архитектуре, принципу действия и свойствам от обычных оптических волокон. В общем случае они представляют собой микроструктуру с периодически или апериодически промодулированным показателем преломления оболочки. Волноводные моды электромагнитного излучения в микроструктурированных волокнах формируются в результате интерференции волн, возникающих при отражении и рассеянии света на микронеоднородностях показателя преломления. Волокна этого типа привели к революционным изменениям в области нелинейной оптики, оптической метрологии и оптике сверхкоротких импульсов. Значительный прогресс, достигнутый благодаря использованию микроструктурированных волокон в различных направлениях научных исследований, выдвигает их создание в ряд наиболее значительных достижений оптических технологий за последнее время.

Микроструктурированные волокна позволяют достичь радикального увеличения эффективности целого класса нелинейно-оптических взаимодействий [6-8], включая фазовую само- и кросс-модуляцию, четырехволновые взаимодействия, генерацию третьей гармоники, вынужденное комбинационное рассеяние света. Благодаря новой архитектуре микроструктурированного волокна, открываются возможности варьирования в широком диапазоне дисперсионными свойствами волокон и управления степенью локализации электромагнитного излучения в направляемых волноводных модах. Это открывает возможность использования лазерных импульсов малых энергий для их эффективной спектральной трансформации, в частности генерации суперконтинуума [9] -излучения с широким непрерывным спектром. Спектральная ширина излучения суперконтинуума при определенных условиях может составлять несколько октав. Явление генерации суперконтинуума приводит к революционным изменениям в области оптической метрологии [10] и активно используется в лазерной биомедицине, спектроскопии, фотохимии, а также оптике сверхкоротких импульсов.

Особое значение для волноводной оптики имеют полые фотонно-кристаллические волокна. Они поддерживают волноводное распространение электромагнитного излучения за счёт высокой отражательной способности оболочки в области фотонных запрещённых зон.

Область приложений микроструктурированных волокон неуклонно расширяется, а сами волокна становятся всё более многообразными. Конструкция волокна и геометрия его поперечного сечения модифицируется и адаптируется к конкретным задачам.

Методы нелинейной спектроскопии позволяют решать широкий круг задач, связанных с количественным и качественным анализом газов, газовых смесей, химических реакций, диагностикой пламен и т.д. [11-15].

Однако, появление новых объектов и задач нелинейно-оптических исследований требует развития новых и совершенствования известных методик в данной области современных физических исследований. Так растущий интерес к изучению нелинейно-оптических взаимодействий в газах связан как с необходимостью развития локальных невозмущающих методов диагностики быстропротекающих процессов [16], так и с возможностью использовать нелинейности подобных сред для генерации когерентного коротковолнового излучения методом оптического преобразования частоты [17]. С другой стороны, богатый арсенал поляризационных нелинейно-оптических методов, разработанный для диагностики газов и жидкостей, находит плодотворное применение для исследования нелинейно-оптических свойств фотохромных веществ, что вызвано развитием информационных технологий и является одной из наиболее актуальных научных задач современности.

Кроме этого, когерентное четырехволновое смешение довольно давно и успешно применяется для исследования молекулярных и конденсированных сред. [18]. Особенно широкое распространение получило использование когерентных четырехволновых процессов как методов зондирования пространственных неоднородностей и трехмерной микроскопии.

Как уже понятно из сказанного выше, спектроскопия четырехволнового смешения это одно из наиболее востребованных на сегодняшний день направлений в науке. Разнообразие применений этих видов спектроскопических исследований связано, прежде всего, с высоким спектральным разрешением, которое обеспечивается как узкополосностью лазерного излучении, так и поляризационными измерениями; когерентностью и высокой интенсивностью рассеянного сигнала. Все это позволяет снимать спектр в широком диапазоне за один лазерный импульс. Временное разрешение методов четырехволнового смешения ограничивается длительностью лазерных импульсов и позволяет работать в масштабе фемтосекундных временных интервалов, а пространственное разрешение ограничивается областью пересечения перетяжек взаимодействующих волн.

Одним из современных направлений призванных улучшить современные методы исследования различных веществ с помощью использования четырехволновых процессов, в том числе и когерентного антистоксова рассеяния света, являются поиски возможностей увеличения чувствительности этих процессов.

Одним из решений этого вопроса является использование полых волноводов. Так как, одно из наиболее общих свойств волноводного режима нелинейно-оптических взаимодействий в полых волноводах связано с тем обстоятельством, что при использовании полого волновода имеется возможность достижения высоких плотностей мощности излучения путем фокусировки пучков накачки аналогично тому, как это делается в режиме жесткой фокусировки. При этом волноводный режим распространения излучения обеспечивает увеличение длины взаимодействия пучков, что позволяет существенно повысить чувствительность нелинейно-оптических процессов сложения частот по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

Пионерская работа по КАРС в полом волноводе [19] продемонстрировала увеличение чувствительности на порядок благодаря тому, что использование полого волновода позволяет достичь уровней интенсивности излучения, характерных для режима жесткой фокусировки, а волноводный режим распространения обеспечивает большую длину взаимодействия пучков в режиме, близком к режиму плоских волн.

Исходя из этого, можно сформулировать цель настоящей диссертационной работы. Это исследование транспортировки и нелинейно-оптических преобразований лазерных импульсов в микро- и наноструктурах с целью их использования в задачах нелинейно-оптической спектроскопии, в том числе спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.

Основными задачами диссертационной работы являются:

4. Исследование спектрального сверху ширения фемтосекундных высокоэнергетичных лазерных импульсов в фотонно-кристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной.

5. Разработка эффективного источника перестраиваемого излучения на основе явлений генерации суперконтинуума и солитонного самосдвига частоты в фотонно-кристаллических волокнах с увеличенной сердцевиной для целей спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света. Демонстрация использования фотонно-кристаллического волокна в качестве источника волны накачки в схеме КАРС-микроспектроскопии оптических фононов в структурах на основе кристаллического кремния.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Впервые экспериментально продемонстрировано, что в случае реализации нелинейно-оптической спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света нанокомпозитных материалов, в частности аэрогеля диоксида кремния, спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части, относящейся к заполняемому поры комбинационно-активному веществу, и нерезонансной — относящейся непосредственно к структуре. Исследования, продемонстрировали, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, от пробных спектральных КАРС профилей веществ, заполняющих нанопористую матрицу, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала.

16 мкм. Полученные плотности мощности составили 440 Дж/см для 10 не л импульсов и 90 Дж/см для 40 пс импульсов.

4. В полом фотонно-кристаллическом волокне, заполненном жидкостью с высокой нелинейностью, экспериментально продемонстрирован одномодовый режим распространения излучения. Запаздывание оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к спектрально сдвинутому в красную область уширению на выходе из волокна, зависящему от длительности импульса.

На защиту выносятся следующие положения:

2. Полые фотонно-кристаллические волокна могут применяться для волноводной транспортировки высокоэнергетичных лазерных импульсов пико- и наносекундной длительности.

3. Применение техники когерентного антистоксова рассеяния света позволяет исследовать оптические свойства наноструктурированного материала. Различия резонансных и нерезонансных компонент спектров ЬСАРС, таких как изменение их амплитуды, ширины и симметрии, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например, аэрогели диоксида кремния, могут эффективно применяться в роли сенсоров и адсорберов при анализе качественного и количественного состава газовых сред

Диссертация построена по следующему принципу. Работа состоит из аннотации, введения, четырех глав, выводов, защищаемых положений и списка литературы.

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

Выводы главы четвертой:

1. Экспериментально продемонстрирован одномодовый режим распространения излучения в полом фотонно-кристаллическом волокне с диаметром сердцевины 4 мкм заполненной жидкостью с высокой нелинейностью. Нелинейный отклик из такого волокна радикальное отличие от типичного нелинейного отклика из стеклянного световода. Сильная инерция оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к спектрально сдвинутому в красную область уширению на выходе из волокна зависящему от длительности импульса.

2. Экспериментально продемонстрирована возможность генерации суперконтинуума микроджоулевого уровня энергии благодаря использованию кварцевого микроструктурированного волокна с большой площадью сердцевины. Исследована зависимость спектральной ширины суперконтинуума от входной энергии излучения Спектр излучения, прошедшего через ФК волокно, использовавшееся в эксперименте, лежит в диапазоне от 650 нм до 1900 нм. Полная энергия генерируемого широкополосного излучения составила 1.2 мкДж, что значительно превышает энергетику суперконтинуума, генерируемого в МС волокнах с диаметром сердцевины порядка микрона.

3. Продемонстрирован способ применения сверхуширения спектра в ФК волокнах с увеличенной сердцевиной для создания КАРС спектрометров, где одной из длин волн накачки является сдвинутый по частоте солитон полученный в ФК волокне. Реализованная схема двухмерной КАРС-микроспектроскопии полупроводниковых структур в отсутствии ДФП с использованием ФК волокна позволила разрешать микроразмерные дефекты на поверхности кремниевой подложки, что открывает перспективы для ее использования при диагностике электронных и фотонных компонент кремниевых микросхем в режиме реального времени.

Заключение.

Основными результатами и выводами настоящей работы являются:

2. Показано, что полые фотонно-кристаллические волокна позволяют транспортировать в изолированных волноводных модах высокоинтенсивное лазерное излучение. Полученные потоки энегрии составили 440 Дж/см для л лазерных импульсов длительностью 10 не и 90 Дж/см для импульсов длительностью 40 пс. В качестве примера реализована передача пикосекундных импульсов на длине волны 1,06 мкм через полое ФК волокно с диаметром сердцевины 13 мкм для осуществления процесса разрушения зубной эмали с одновременным контролем этого процесса за счет регистрации обратного рассеяния, передаваемого через тоже волокно.

3. Экспериментально продемонстрирована КАРС-спекгроскопия наноструктурированных материалов, в частности аэрогеля диоксида кремния. Показано, что в этом случае спектр КАРС формируется в результате интерференции резонансной части, относящейся к комбинационно-активному веществу, и нерезонансной - относящейся непосредственно к структуре. Продемонстрировано, что отличия резонансных и нерезонансных компонентов спектров КАРС, проявляющихся в изменении их амплитуды, ширины и симметрии, от пробных спектральных КАРС профилей веществ, заполняющих нанопористую матрицу, могут служить для измерения локальных значений оптических характеристик наноструктурированного материала. Показано, что нанокомпозитные структуры, например аэрогели диоксида кремния, могут эффективно г применяться в роли сенсоров и адсорберов при анализе качественного и количественного состава и газовых сред.

6. Реализованиа микроспектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света оптических фононов в подложке кристаллического кремния. В качестве полей накачки и зондирования использовалось излучение лазера на кристалле Cr:forsterite, а в качестве стоксовой волны - сдвинутый по частоте солитон, полученный в микроструктурированном волокне с увеличенной сердцевиной. Реализованная схема двухмерной КАРС-микроспектроскопии продемонстрировала возможность разрешать микроразмерные объекты и дефекты на поверхности кремниевой подложки, что открывает перспективы для ее использования при диагностике электронных и фотонных компонент кремниевых микросхем в режиме реального времени.

Автору хочется выразить глубокую признательность своему научному руководителю доценту Федотову А.Б. и профессору Желтикову A.M. за постоянное внимание и поддержку и за неоценимую помощь на всех этапах работы. Автор благодарен академику Алфимову М.В., с.н.с. Иванову А.А. и с.н.с. Подшивалову А.А. за плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь. Также автор признателен Серебрянникову Е.Е, Федотову И.В., Савину А.Д. и Воронину А.А. за плодотворные обсуждения.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Митрохин, Владимир Павлович, Москва

1. D. Joannopoulos, R.D. Meade, J.N. Winn Photonic Crystals: Molding the Flow of Light // Princeton University Press, Princeton, 1995.

2. T. Verbiest, S. Van Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snawvaert, C. Nuckolls, T.J. Katz Persoons A.Strong Enhancement of Nonlinear Optical Properties Through Supramolecular Chirality // Science. 1998. Vol. 282: P. 913.

3. Bubeck C. in Organic Thin Films for Waveguiding Nonlinear Optics // ed. by F. Kajzar, J.D. Swalen. Gordon and Breach: Amsterdam. 1996. P. 137.

4. Nanoscale Linear and Nonlinear Optics. // ed. by M. Bertolotti, C.M. Bowden, and C. Sibilia Am. Inst. Phys. New York. 2001.

5. J.C. Knight, T.A. Birks, P.St.J. Russell, D.M. Atkin All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding // Opt. Lett. 1996. Vol. 21. P. 1547.

6. A.M. Желтиков Оптика микроструктурированных волокон. // М. :Наука. 2004.

7. A.B. Fedotov, I. Bugar, D.A. Sidorov-Biryukov, E.E. Serebryannikov, D.Jn. Chorvat, M. Scalora, D. Chorvat, A.M. Zheltikov Pump-depleting four-wave mixing in supercontinuum-generating microstructure fibers. // Appl. Phys. B. 2003. Vol. 77. N 12. P. 313.

8. T.M. Monro, P.J. Bennett, N.G.R. Broderick, D.J. Richardson Holey fibers with random cladding distributions // Opt. Lett. 2000. Vol. 25. P. 206.

9. A.M. Желтиков Сверхкороткие импульсы и методы нелинейной оптики. // М. ФИЗМАТЛИТ. 2006.

10. С.А. Ахманов, Н.И. Коротеев Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. // М. Наука. 1981.

11. И.Р. Шен Принципы нелинейной оптики. // М. Наука. 1989.

12. Дж. Райнтжес Нелинейные оптические параметрические процессы в жидкостях и газах. // М. Наука. 1989.

13. А.С. Eckbreth Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species. // Cambridge. MA Abacus. 1988.

14. A. Noullez, G. Wallace, W.Lempert, R.B. Miles, U. Frish Transverse velocity increments in turbulent flow using the RELIF technique // J. Fluid Mech. 1997. Vol. 339. P. 287.

15. C.G. Durfee III, S. Backus, MM Murnane, H.C. Kapteyn Ultrabroadband Phase-Matched Optical Parametric Generation in the Ultraviolet by Use of Guided Wawes. // Opt. Lett. 1997. Vol. 22. P. 1565.

16. V.I. Fabelinsky, B.B. Krynetsky, L.A. Kulevsky, V.A. Mishin, A.M. Prokhorov, A.D. SaveVev, V. V. Smirnov High Resolution cw CARS Spectroscopy of the Q-Branch of the u2 Band in C2H2. II Opt. Commun. 1977. Vol. 20. P. 389.

17. M Sheikh-Bahae, A. A. Said, T. Wei, D. J. Hagan, and E. W. Van Stryland. Sensitive measurements of optical nonlinearities using a single beam, // IEEE J. Quantum Electron. 1990. Vol. 26. P. 760.

18. J-Aggregates ed. by Kobayashi Til World Scientific: Singapore. 1996.

19. S.V Govorkov, I.L. Shumay, T. Schroder, W. Rudolph Time-resolved second-harmonic study of femtosecond laser-induced disordering of GaAs surfaces// Opt. Lett. 1991. Vol. 16. P. 1013.

20. С. Voisin, N. Del Fatti, D. Christofilos, F. Vallee Ultrafast Electron Dynamics and Optical Nonlinearities in Metal Nanoparticles// J. Phys. Chem. В 2001. Vol. 105. P. 2264.

21. N. Yang, W. E. Angerer, A. G. Yodh. Second-harmonic microscopy of single micrometer-size particles on a substrate // Phys. Rev. A 2001. Vol. 64. P. 045801.

22. J. Squier, M. Muller, G.J. Brakenhoff, K.R. Wilson Third Harmonic Generation Microscopy// Opt. Express 1998. Vol. 3. P. 315.

23. S. O. Konorov, A.A. Ivanov, M.V Alfimov and A. M. Zheltikov Femtosecond nonlinear-optical metrology of nanocomposite materials // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2003. Vol. 5. P. 362.

24. M.D. Duncan, J. Reintjes, T.J. Manuccia Scanning coherent anti-Stokes Raman microscope// Opt. Lett. 1982. Vol. 7. P. 350.

25. S.N. Rashkeev, W.R.L. Lambrecht, B. Segall Second-harmonic generation in SiC polytypes// Phys. Rev. В 1998. Vol. 57. P. 9705.

26. B. Adolph, F. Bechstedt Influence of crystal structure and quasiparticle effects on second-harmonic generation: Silicon carbide polytypes // Phys. Rev. В 2000. Vol. 62. P. 1706.

27. S. Niedermeier, H. Schillinger, R. Sauerbrey, B. Adolph, F. Bechstedt Second-harmonic generation in silicon carbide polytypes // Appl. Phys. Lett. 1999. Vol. 75. P. 618.

28. N.M. Lawand, R.M. Balachandran, A.S.L. Gomes, E. Sauvain Laser action in strongly scattering media//Nature 1994. Vol. 368. P. 436.

29. Nonlinear Optics of Photonic Crystals, Feature // issue of the Journal of Optical Society of America В ed. by C.M. Bowden, A.M. Zheltikov 2002. Vol. 19. №. 9.

30. V.E. Kravtsov, V.M. Agranovich, K.I. Grigorishin Theory of second-harmonic generation in strongly scattering media // Phys. Rev. В 1991. Vol. 44. P. 4931.

31. S.K. Kurtz, T.T. Perry A Powder Technique for the Evaluation of Nonlinear Optical Materials // Appl. Phys. 1968. Vol. 39. P. 3798.

32. A. Ishimaru Wave Propagation and Scattering in Random Media // New York. Academic. 1995.

33. R.B. Miles, G. Laufer, G.C. Bjorklund, Coherent anti-Stokes Raman scattering in a hollow dielectric waveguide. // Appl. Phys. Lett. 1977. Vol. 30. P. 417.

34. A. Ferrando, E. Silvestre, J.J. Miret, Nearly zero ultraflattened dispersion in photonic crystal fibers// Andres P Opt. Lett. 2000. Vol. 25. P. 790.

35. D.V. Skryabin, F. Luan, J.C. Knight, P.St.J. Russell. Soliton Self-Frequency Shift Cancellation in Photonic Crystal Fibers // Science 2003. Vol. 301. P. 1705.

36. A M. Zheltikov Multimode guided-wave non-3omega third-harmonic generation by ultrashort laser pulses // J. Opt. Soc. Am. В 2005. Vol. 22. P. 2263.

37. J.D. Harvey, R. Leonhardt, S. Coen, G.K.L. Wong, J.C. Knight, W.J. Wadsworth, P.St. Russell Scalar modulation instability in the normal dispersion regime by use of a photonic crystal fiber // J Opt. Lett. 2003. Vol. 28. P. 2225.

38. K.R. Tamura, H. Kubota, M. Nakazawa Fundamentals of stable continuum generation at high repetition rates // IEEE J. Quantum Electron. 2000. Vol. 36. P. 773

39. G P Agrawal Nonlinear Fiber Optics // 3rd ed. San Diego. CA: Academic. 2001.

40. H. Sotobayashi and К Kitayama 325 nm bandwidth supercontinuum generation at 10 Gbit/s using dispersion-flattened and nondecreasing normal dispersion fiber with pulse compression technique // Electron. Lett. 1998. Vol. 34. P. 1336.

41. M.J. Steel, J.R.M. Osgood Elliptical-hole photonic crystal fibers // Opt. Lett. 2001. Vol. 26. P. 229.

42. Ming Lie Ни, Ching-yue Wang, Lu Chai, A.M. Zheltikov Frequency-tunable anti-Stokes line emission by eigenmodes of a birefringent microstructure fiber // Opt. Express 2004. Vol. 12. P. 1932.

43. Ни Minglie, Wang Ching-yue, Li Yangfen, Chai Lu, A M. Zheltikov Polarization-demultiplexed two-color frequency conversion of femtosecond pulses in birefringent photonic-crystal fibers // Opt. Express 2005. Vol. 13. P. 5947.

44. R.F. Cregan, B.J. Mangan, J.C. Knight, T.A. Birks, P.St.J. Russell, P.J. Roberts, D.C. Allan Single-mode photonic band gap guidance of light in air // Science 1999. Vol. 285. P. 1537.

45. F. Benabid, J. C. Knight, P. St. J. Russell Particle levitation and guidance in hollow-core photonic crystal fiber // Opt. Express 2002. Vol. 10. P. 1195.

46. B. Cros, C. Courtois, G. Matthieussent, A. Di Bernardo, D. Batani, N. Andreev, and S. Kuznetsov Eigenmodes for capillary tubes with dielectric walls and ultraintense laser pulse guiding // Phys. Rev. E 2002. Vol. 65. P. 026405.

47. Y. Matsuura, К. Hanamoto, S. Sato, and M. Miyagi 'Hollow-fiber delivery of high-power pulsed Nd:YAG laser light' // Opt. Lett. 1998. Vol. 23. P. 1858.

48. F. Benabid, J.C. Knight, G. Antonopoulos, P.St.J. Russell Stimulated Raman Scattering in Hydrogen-Filled Hollow-Core Photonic Crystal Fiber //Science 2002. Vol. 298. P. 399.

49. S.O. Konorov, A.B. Fedotov, A.M. Zheltikov Enhanced four-wave mixing in a hollow-core photonic-crystal fiber // Opt. Lett. 2003. Vol. 28. P. 1448.

50. A.B. Fedotov, S.O. Konorov, V.P. Mitrokhin, E.E. Serebryannikov, A.M. Zheltikov Coherent anti-Stokes Raman scattering in isolated air-guided modes of a hollow-core photonic-crystal fiber // Phys. Rev. A 2004. Vol. 70. P. 045802.

51. S.O. Konorov, E.E. Serebryannikov, A.B. Fedotov, R.B. Miles, A.M. Zheltikov Phase-matched waveguide four-wave mixing scaled to higher peak powers with large-core-area hollow photonic-crystal fibers// Phys.Rev. E 2005. Vol. 71. P. 057603.

52. D.G. Ouzounov, C.J. Hensley, A.L. Gaeta, N. Venkateraman, M.T. Gallagher, KW. Koch . Soliton pulse compression in photonic band-gap fibers // Opt. Express 2005. Vol. 13. P. 6153.

53. R B. Miles Switching intense laser pulses guided by Kerr-effect-modifled modes of a hollow-core photonic-crystal fiber // Phys. Rev. E 2005. Vol. 71. P. 026609.

54. А.Б. Федотов, В.И. Белоглазое, A.M. Желтиков Структурно интегрируемые системы полых световодов и сенсорные устройства на их основе. // Российские Нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 1-2. С. 61.

55. J.D. Shephard, J.D.С. Jones, D.P. Hand, G. Bouwmans, J.C. Knight, P.S.J. Russell, B.J. Mangan High energy nanosecond laser pulses delivered single-mode through hollow-core PBG fibers // Opt. Express 2004. Vol. 12. P. 717.

56. A.A. Voronin and A.M. Zheltikov Solitons Evolving toward Few- and Single-Cycle Pulses in Photonic-Crystal Fibers. // Laser Physics. 2008. Vol. 18. № 12. P. 1416.

57. S.O. Konorov, A.M. Zheltikov, Ping Zhou, A.P. Tarasevitch, D.von der Linde Self-channeling of subgigawatt femtosecond laser pulses in a ground-state waveguide induced in the hollow core of a photonic crystal fiber // Opt. Lett. 2004. Vol. 29. P. 1521.

58. A. Baltuska, Z. Wei, M.S. Pshenichnikov, D.A. Wiersma Optical pulse compression to 5fs at a 1-MHz repetition rate // Opt.Lett. 1997. Vol.22. P. 102.

59. M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto Generation of high energy 10 fs pulses by a new pulse compression technique,// Appl. Phys. Lett. 1996. Vol.68. P.2793.

60. M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipocs, K. Ferecz, Ch. Spielmann, S. Sartania, F. Krausz Compression of high-energy laser pulses below 5 fs // Opt. Lett. 1997. Vol.22, P.522.

61. N. Zhavoronkov, G. Korn Generation of Single Intense Short Optical Pulses by Ultrafast Molecular Phase Modulation // Phys.Rev.Lett. 2002. Vol.88. P. 203901.

62. A. Nazarkin, G. Korn Raman self-conversion of femtosecond laser pulses and generation of single-cycle radiation // Phys. Rev. A 1998. Vol.58. P.R61.

63. G. Korn, O. Duhr, A.Nazarkin Observation of Raman Self-Conversion of fs-Pulse Frequency due to Impulsive Excitation of Molecular Vibrations // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81. P.1215.

64. A. Nazarkin, G. Korn, M. Wittmann, T. Elsaesser Generation of multiple phase-locked Stokes and anti-Stokes components in an impulsively excited Raman medium // Phys. Rev. Lett. 1999.Vol. 83, P. 2560.

65. M Wittmann, A. Nazarkin, G. Кот Synthesis of periodic femtosecond pulse trains in the ultraviolet by phase-locked Raman sideband generation // Opt. Lett. 2001. Vol. 26. P. 298.

66. К. H. Белов, О. E. Наний, Д. Д. Щербаткин, М. А. Величко Повышение качества информационных сигналов в оптических передатчиках на основе лазеров с прямой модуляцией. // Вестник МГУ. Физика. Астрономия 2005. № 4. С. 40.

67. В.Г. Архипкин, Ю.И. Геллер, А.К. Попов, А.С. Проворов Четырехволновое смешение частот в газонаполненных волноводах.// Квантовая электрон. 1985. Т. 12. С. 1429.

68. N.I. Koroteev, A.M. Zheltikov Chirp control in third-harmonic generation due to cross-phase modulation //Appl. Phys. В 1998. Vol. 67. P. 53.

69. A.M Желтиков, Н.И. Коротеев, A.H. Наумов Эффекты фазовой само- и кросс-модуляции при генерации тертьей гармоники в полом волноводе // ЖЭТФ 1999. Т. 115. С. 1561.

70. J.B. Watson, A. Sanpera, X. Chen, К. Burnett Harmonic generation from a coherent superposition of states // Ibid. 1996. Vol. 53. P. R1962.

71. T. Sekikawa, T. Ohno, T. Yamazaki, Y. Nabekawa, S. Watanabe Pulse Compression of a High-Order Harmonic by Compensating the Atomic Dipole Phase. // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 2564.

72. J.K. Ranka, R.S. Windeler, A.J. Stentz Optical properties of high-delta air silica microstructure optical fibers. // Opt. Lett. 2000. Vol. 25. P. 796.

73. P.J. Bennet, T.M. Monro, D.J. Richardson Toward practical holey fiber technology: fabrication, splicing, modeling, and characterization // Opt. Lett. 1999. Vol. 24. P. 1203.

74. А.Б. Федотов, A.M. Желтиков, JT.A. Мельников, А.П. Тарасевич, Д. фон дер Линде Спектральное уширение фемтосекундных лазерных импульсов в волоноводах с фотонной запрещенной зоной // Письма в ЖЭТФ 2000. Т. 71. С. 407.

75. D.A. Akimov, А.А. Ivanov, M.V. Alfimov, S.N. Bagayev, T.A. Birks, W.J. Wadsworth, P.St.J. Russell, A.B. Fedotov, V.S. Pivtsov, A.A. Podshivalov, A.M.

76. Zheltikov Two-octave spectral broadening of subnanojoule Cr:forsterite femtosecond laser pulses in tapered fibers // Appl. Phys. В 2002. Vol. 74. P. 307.

77. J.K. Ranka, R.S. Windeler, A.J. Stentz Optical properties of high-delta air silica microstructure optical fibers // Ibid. 2000. Vol. 25. P. 25.

78. W.J. Wadsworth, A. Ortigosa-Blanch, J.C. Knight, T.A. Birks, T.P.M. Mann, P.St.J. Russell Supercontinuum generation in photonic crystal fibers and optical fiber tapers: a novel light source// J. Opt. Soc. Am. B. 2002. Vol. 19. P.2148.

79. D. V. Skryabin, F. Luan, J. C. Knight, P. St. J. Russell Soliton self-frequency shift cancellation in photonic crystal fibers // Science 2003. Vol. 301. P. 1750.

80. A. Hasegawa, M. Matsumoto Optical Solitons in Fibers// Springer. Berlin. 2003.

81. G.I. Stegeman, M. Segev Optical Spatial Solitons and Their Interactions: Universality and Diversity // Science 1999. Vol. 286. P. 1518.

82. L. F. Mollenauer, R. H. Stolen, J. P. Gordon Experimental Observation of Picosecond Pulse Narrowing and Solitons in Optical Fibers // Phys. Rev. Lett. 1980. V. 45. P. 1095.

83. F. M. Mitschke, L. F. Mollenauer Discovery of the soliton self-frequency shift // Opt. Lett. 1986. Vol. 11. P. 659.

84. П.А. Черенков Видимое свечение жидкостей под действием у-радиации// Докл. Акад. Наук СССР 1934. Т. 2. С. 451.

85. С.И. Вавилов. О возможных причинах синего у-свечения жидкостей // Докл. Акад. Наук СССР 1934. Т. 28. С. 457.

86. И.Е. Тамм, ИМ. Франк. Когерентное излучение быстрого электрона в среде // Докл. Акад. Наук СССР 1937. Т. 14. № 3. С. 107.

87. N. Akhmediev, М. Karlsson Cherenkov radiation emitted in optical fibers // Phys. Rev. A 1995. Vol. 51. P. 2602.

88. B.E. Захаров, E.A. Кузнецов Оптические солитоны и квазисолитоны // ЖЭТФ 1998. Т. 113. С. 1892.

89. W. Н. Reeves, D. V. Shyabin, F. Biancalana, J. С. Knight, P. St. J. Russell, F. G. Omenetto, A. Efimov and A. J. Taylor Transformation and control of ultra-short pulses in dispersion-engineered photonic crystal fibres // Nature 2003. Vol. 424. P. 511.

90. Г.В. Азизбекян, H.H. Бадалян, Н.И. Kopomeee, K.A. Нересян, M.A. Хуршудян, Ю.С. Чшингарян Наблюдение обертонов колебательно-вращательных молекулярных переходов методом когерентной активной спектроскопии. // Квант. Электрон. 1977. Т. 4. С. 1911.

91. С.И. Валянский, К.А. Верещагин, А.Ю. Волков, А.А. Илюхин, П.П. Пашинин, В.В. Смирнов, В.И. Фабелинский Локальная невозмущающая диагностика параметров газовых сред. // Труды ИОФАН 1986. Т. 2. С. 17.

92. А.Н. Kung Generation of Tunable Picosecond VUV Radiation. // Appl. Phys. Lett., 1974. Vol. 25. P. 653.

93. С.Б. Бункин, C.M. Гладков, A.M. Желтиков, Н.И. Kopomeee, M.B. Рычев, А.Б. Федотов Когерентное антистоксово рассеяние света на возбужденных атомах олова в факеле лазерной плазмы. // Опт. Спектроск. 1989. Т. 66. С. 1182.

94. S.A. Akhmanov, N.I. Koroteev, S.A. Magnitskii, A.P. Tarasevich, KG. Tunkin Time-domain coherent active Raman spectroscopy of a free-nitrogen jet. // J. Opt. Soc. Am. В 1985. Vol. 2. P. 640.

95. C.A. Ахманов, В.Д. Веденин, Ф.Ш. Ганиханов, М.Г. Зверева, Н.И. Kopomeee, В.Н. Кулясов, В.Б. Морозов, В.Г. Тункин Пикосекундная КАРС спектроскопия электронного перехода 6Р1/2-1Р3/2 атомов таллия. // Опт. Спектроск. 1988. Т. 64, С. 503.

96. G. Pichler, M. Motzkus, S.L. Cunha, R.P.B. Correia, K.L. Kompa, P. Hering Resonance Enhanced CARS in the NaH Molecule: Overtones and Anti-Stokes Enhancements. // II Nuovo Climento D 1992. Vol. 14. P. 1065.

97. A.M. Бродниковский, C.M. Гладков, Н.И. Коротеев Двухфотонное комбинационное возбуждение молекулярных колебанийЖ новый подход к изучению колебательной релаксации в могоатомных газах. // ЖЭТФ 1983. Т. 84. С. 1664.

98. С.М. Гладков, A.M. Желтиков, О.С. Ильясов, Н.И. Коротеев, В.Н. Кулясов Исследование релаксации метастабильного состояния самария методом ДКВ-КАРС. // Опт. Спекгроск. 1988. Т. 65. С. 249.

99. J. Jonuscheit, A. Thumann, М. Schenk, Т. Seeger, A. Leipertz One-Dimensional Vibrational Coherent Anti-Stokes Raman-Scattering Thermometry. // Opt. Lett. 1996. Vol. 21. P. 1532.

100. A. C. Eckbreth, T.J. Anderson Dual Broadband CARS Spectroscopy // Appl. Opt. 1985. Vol. 24. P. 2731.

101. A. C. Eckbreth, T.J. Anderson Simultaneous Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy and Raman Spectroscopy with Arbitrary Pump-Stokes Spectral Separation. // Opt. Lett. 1986. Vol. 11. P. 496.

102. M. Alden, P.-E. Bengtsson, H. Edner CARS Spectroscopy with Two Broadband Tunable Lasers. // Appl. Opt. 1986. Vol. 25. P. 4493.

103. Kiefer W. Femtosecond Coherent Raman Spectroscopy. // Special Issue of J. Raman Spectrosc. 2000. Vol. 31. N. 1-2.

104. M.A. Булдаков, Н.Ф. Васильев, C.B. Лазарев, И.И. Матросов Измерение напряженности электрического поля методом активной спектроскопии комбинационного рассеяния. // Квант. Электрон. 1984. Т. 11. С. 405.

105. О.А. Евсин, Е.Б. Куприянова, В.Н. Очкин, С.Ю. Савинов, С.Н. Цхай Измерение напряженности электрических полей в газах и плазме методом КАРС. //Квант. Электрон. 1995. Т. 22. С. 295.

106. A.M. Желтиков, Н.И. Коротеев, А.Н. Наумов, В.Н. Очкин, С.Ю. Савинов, С.Н. Цхай Измерение электрических полей в плазме с помощью поляризационной техники когерентного четырехволнового взаимодействия. // Квант. Электрон. 1999. Т. 26. № 1.

107. С.М. Гладков, Н.И. Коротеев Когерентное антиетокеово рассеяние света в плазме электрических и оптических разрядов. // Итоги науки и техники. Физические основы лазерной и пучковой технологии. Т. 2. 1988. М.: ВИНИТИ, с 4.

108. J. Harbold, F.W. Wise, W. Wadsworth, T.A. Birks Continuum generation about the second zero in group-velocity dispersion of a narrow diameter tapered fiber // Proceedings of the Lasers and Electro-Optics CLEO '02 2002. P.237.

109. G.P. Agrawal Nonlinear Fiber Optics. // Boston: Academic Press 1989.

110. S.O. Konorov , V.P. Mitrokhin , A.B. Fedotov , D.A. Sidorov-Biryukov , A.M. Zheltikov Coherent anti-Stokes Raman scattering in the gas phase enhanced by hollow photonic-crystal fibers // Laser Physics. 2004. V. 14. № 11. P. 1437.

111. A. Yariv, P. Yeh Optical Waves in Crystals. // N.Y.: Wiley 1984.

112. J. Fricke Aerogels // Springer, Berlin, (1986)

113. A.M. Zheltikov Nano-optical dimension of coherent anti-Stokes Raman scattering // Laser Phys. Lett. 2004. Vol. 1. P. 468.

114. X.C. Zeng, D.J. Bergman, P.M. Hui, D. Stroud Effective Medium Theory for Weakly Non-Linear Composites //Phys. Rev. В 1988. Vol. 38. P. 10970.

115. S. O. Konorov, V. P. Mitrokhin, I. V. Smirnova, D. A. Sidorov-Biryukov, A. B. Fedotov, and A. M. Zheltikov Coherent anti-Stokes Raman scattering as a local probe for nanocomposite materials (nanoCARS) // Тезисы докл. 12 Международной конф. ALT 2004.

116. S. О. Konorov, V. P. Mitrokhin, I. V. Smirnova, A. B. Fedotov, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov Gas- and condensed-phase sensing by coherent anti

117. Stokes Raman scattering in a mesoporous silica aerogel host // Chem. Phys. Lett. 2004. Vol. 394. P. 1.

118. T. Dreier, G. Schiff, A.A. Suvernev Collisional effects in Q branch CARS-spectra of N 2 and О 2 at high pressure and high temperature // J. Chem. Phys. 1994. Vol. 100. P. 6275.

119. A. B. Fedotov, S. O. Konorov, V. P. Mitrokhin, E. E. Serebryannikov, and A.M. Zheltikov Coherent anti-Stokes Raman scattering in isolated air-guided modes of a hollow-core photonic-crystal fiber//Phys. Rev. A 2004. Vol. 70. P. 045802.

120. D.P. Hand and J.D.C. Jones Single-mode delivery of Nd:YAG light for precision machining applications //Appl. Opt. 1998. Vol. 37. P. 1602.

121. A. Kuhn, I.J. Blewett, D.P. Hand, P. French, M. Richmond, and J.D.C. Jones Optical fibre beam delivery of high-energy laser pulses: beam quality preservation and fibre end-preparation // Opt. Lasers Eng. 2000. Vol. 34. P. 273.

122. C.C. Wang, L.I. Davis New Observations of Dielectric Breakdown in Air Induced by a Focused Nd3+-Glass Laser with Various Pulse Widths // Phys. Rev. Lett. 1971. Vol. 26. P. 822.

123. Ю.П.Райзер Действие лазерного излучения (сборник статей) // М.Мир 1968.

124. F. Rainer, L. J. Atherton, J. H. Campbell, F. D. DeMarco, M. R. Kozolowski, A. J. Morgan, andM. C. Staggs Four-harmonic database of laser-damage testing,// Proc. SPEE 1992. Vol. 116. P. 1624.

125. J.D. Shephard, J.D.C. Jones, D.P. Hand, G. Bouwmans, J.C. Knight, P.S.J. Russell, В J. Mangan High energy nanosecond laser pulses delivered single-mode through hollow-core PBG fibers // Opt. Express 2004. Vol. 12. P. 717.

126. J. Tauer, F. Orban, H. Kofler, A. B. Fedotov, I. V. Fedotov, V. P. Mitrokhin, A. M. Zheltikov, E. Wintner High-throughput of single high-power laser pulses by hollow photonic band gap fibers // Las. Phys. Lett. 2007. Vol. 4. P.444.

127. E.P. Ippen, С. V. Shank, and Т.К. Gustafson Self-phase modulation of picosecond pulses in optical fibers I I Appl. Phys. Lett. 1974. Vol. 24. P. 190.

128. J. C. Schaefer and I. Chabay Generation of enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy signals in liquid-filled waveguides // Opt. Lett. 1979.Vol. 4. P. 227.

129. R. W. Hellwarth Third- order optical susceptibilities of liquids and solids // Prog. Quantum Electron. 1977. Vol. 5. P.l.

130. T. J. Bridges, A. R. Chraplyvy, J. G. Bergman, Jr., and R. M. Hart Broadband infrared generation in liquid-bromine-core optical fibers // Opt. Lett. 1982. Vol. 7. P. 566.

131. D. McMorrow, W. T. Lotshaw, and G. A. Kenney-Wallace Femtosecond optical Kerr studies on the origin of the nonlinear responses in simple liquids // IEEE J. Quantum Electron. 1988. Vol. 24. P. 443.

132. I. A. Heisler, R. R. B. Correia, T. Buckup, and S. L. S. Cunha Time-resolved optical Kerr-effect investigation on CS2/polystyrene mixtures // J. Chem. Phys. 2005-Vol. 123. P. 054509.

133. G. S. He, R. Burzynski, and P. N. Prasad A novel nonlinear optical effect: Stimulated Raman-Kerr scattering in a benzene liquid-core fiber // J. Chem. Phys. 1990. Vol. 93. P. 7647 ().

134. S. Yiou, P. Delaye, A. Rouvie, J. Chinaud, R. Frey, G. Roosen, P. Viale, S. Fevrier, P. Roy, J. Auguste, and J. Blondy Stimulated Raman scattering in an ethanol core microstructured optical fiber // Opt. Express 2005. Vol. 13. P. 4786.

135. R. Zhang, J. Teipel, and H. Giessen Theoretical design of a liquid-core photonic crystal fiber for supercontinuum generation // Opt. Express 2006. Vol. 14. P. 6800.

136. Y. Xu, X. Chen, and Y. Zhu Modeling of micro-diameter-scale liquid core optical fiber filled with various liquids // Opt. Express 2008. Vol. 16. P. 9205.

137. S. Konorov, A. Zheltikov, and M. Scalora Photonic-crystal fiber as a multifunctional optical sensor and sample collector // Opt. Express 2005. Vol. 13. P. 3454.

138. M. Ricci, P. Bartolini, R. Chelli, G. Cardini, S. Califano, and R. Righini The fast dynamics of benzene in the liquid phase. Part I. Optical Kerr effect experimental investigation // Phys. Chem. 2001. Vol. 3. P. 2795.

139. R. Trebino, D.J. Kane Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses: frequency-resolved optical gating // J.Opt.Soc.Am.A. 1993. Vol. 10.P. 1101.

140. R. Trebino, K. W. Delong Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating. // Rev. Sci. Instrum. 1997. Vol. 68. P. 3277.

141. A. Zumbusch, G. R. Holtom and X. S. Xie Three-Dimensional Vibrational Imaging by Coherent Anti-Stokes Raman Scattering // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. P. 4142.